随着铁路建设飞速发展,科技水平不断提高,轨枕生产对混凝土的各种性能要求越来越高,不仅要求混凝土工作性能好、强度指标高、耐久性好等,而且还要求有个好的外观。预应力混凝土轨枕从研究、生产到推广使用已经历时四十余年,在这几十年的使用当中发现混凝土轨枕发生了不少损伤、裂纹,危及行车安全,损伤的轨枕还要考虑是否应从运营线上换下,这样会耗费大量的人力物力,甚至影响行车,损伤裂纹轨枕除了少量是由于行车、装卸事故造成的破损外,绝大部分产生的各种各样的裂纹,影响了轨枕承载力而被迫换下,研究预应力混凝土轨枕裂缝的成因及其危害性,如何预防和控制裂缝,对提高混凝土轨枕的结构耐久性,延长轨枕的使用寿命将有十分重要的意义。混凝土轨枕裂缝的成因主要有两大类型引起的,在荷载作用下引起的裂缝和非荷载作用因素引起的裂缝。
一、荷载作用引起的裂缝主要类型有
1、钢轨下方正弯矩作用产生的裂缝。
2、轨中弯矩产生的裂缝。
3、轨枕顶面钉孔处纵向裂缝、横向裂缝。
4、轨枕端部的纵向裂缝。
5、顶面或侧面出现的纵横交错不规则的网状龟裂。
以上几种裂缝是在使用荷载的作用下轨枕截面的拉应变大多是大于混凝土极限拉伸值,作用于截面上的弯矩、剪力、轴向拉力以及产生的扭矩等这些荷载效应都可能引起轨枕产生裂缝。
二、非荷载因素引起的裂缝主要有
1、温度变化引起的裂缝。混凝土从浇筑至硬化过程中,由于水泥的水化作用将产生并释放大量的水化热,造成轨枕内部温度较大,膨胀不一致,轨枕表面产生拉应力,内部产生压应力,当内外应力不均衡时便产生了裂缝;二是轨枕在脱模时,轨枕温度较高,超过了规范规定的环境温度与轨枕表面温度之差,就会产生温度收缩,轨枕表面会产生很大的拉应力,而形成表面裂缝;三是施工过程中人为因素引起的温度变化,如新布的混凝土与剩余混凝土的接触面、布灰不均匀新旧混凝土分层分块不合理等;四是在蒸汽养护过程中升温过快,恒温温度又很高时,由于混凝土中的材料热膨胀系数不同,而混凝土初期结构强度又很低,高温使气、水大大膨胀,造成混凝土内部结构缺陷,容易引起轨枕端部表面的混凝土龟裂疏松,出厂时仅有肉眼不可见的微细裂缝,在运营使用过程中受到外力的不断作用,以及环境的干湿、冻融影响,也会是裂缝的宽度、长度发展。
2、混凝土的收缩变形引起的裂缝。混凝土振捣完成后进入预养阶段,在空气中结硬时体积要收缩变形,这种变形不同程度地受到外界的约束作用,如预应力钢筋、箍筋等,对于这些受到约束而不能自由伸缩的轨枕,混凝土的干缩就可能导致细小裂缝的产生,实践表明有挡肩的轨枕要比无挡肩的轨枕裂缝高于很多倍。另外在施工中要严控配合比,人们往往为了施工方便,对控制用水量有很大的随意性,其施工用水量常常大于试验室提供的配合比用水量,致使混凝土坍落度大,泌水现象明显,这种混凝土往往伴随着较大的塑性收缩,从而出现塑性收缩裂缝。
3、碱—骨料化学变化引起的裂缝。如果混凝土中含有碱活性骨料和碱含量高的水泥,或受到含有可溶性硫酸盐的水作用时,反应生成物遇水可产生膨胀,导致混凝土体积的变化而形成裂缝。当骨料具有碱—碳酸盐反应时不得用作混凝土骨料,当具有碱—硅酸盐反应时混凝土中最大碱含量不得大于3kg/m3。
三、防治措施
预应力混凝土轨枕作为一种混凝土结构要想完全杜绝裂缝是很难做到的,但裂缝对轨枕的正常使用毕竟是有害的,为此,应当竭尽全力防治裂缝的出现。预防和控制裂缝可以从下四方面入手:
1、从受力角度来看,为防止横向、纵向裂缝,除了根据可能出现的最大荷载,合理配置预应力钢筋外,箍筋、螺旋筋的配置也尤为重要,因为箍筋、螺旋筋的设置有利于防止轨枕的纵裂及钉孔处裂缝,有些轨型箍筋与预应力钢筋只是松散搭接,不成整体,对防止裂缝效果有限,设计人员已考虑到这一点,现箍筋布置合理,并与预应力钢筋牢固绑扎在一起,从而对防止端部裂缝效果明显。
2、加强生产管理,提高全员质量意识,充分认识道裂缝的危害性。铁路建设在不断发展,轨枕型号也在不断更新,这就要求轨枕生产和使用单位的技术管理人员不断加强自身的学习和提高,加强对混凝土结构组成、各种材料对混凝土性能的影响、新工艺新过程的充分了解,才能合理生产,正确使用。
3、严格控制进场的原材料。材料的质量直接关系到混凝土的质量,所以必须严把进场材料的质量关,合理选取水泥,优先采用收缩小的或具有微膨胀性的普通硅酸盐水泥,这种水泥可以提高混凝土的抗裂能力。骨料应选用岩石弹性模量低,膨胀系数小,表面清洁,质地坚硬,级配良好的骨料,这样可以获得较小的空隙率及表面积,从而减少水泥的用量,降低水化热,减少干缩,并减少了混凝土裂缝的开展。骨料在运输、装卸和堆放过程中不得混有树叶、炉渣的杂物,外加剂、预应力筋等材料也均要满足国家规范的要求。在使用时既要考虑外加剂与水泥的兼容性,又要考虑碱—骨料反应问题。
4、合理选用掺和材料。微膨胀剂和矿物掺和料的应用也是防止混凝土裂缝的一个很好措施,微膨胀剂具有极好的抗渗性,能较好的补偿收缩膨胀式能力,对混凝土的抗裂有很好的效果,在混凝土中使用矿物掺和料可提高混凝土的抗渗性、耐久性,较少收缩,降低胶凝材料的水化热,这些掺和料具有延迟和降低混凝土水化降温作用,改善泌水性能,抗裂能力优异无比。
结束语
在实际生产使用过程中采用以上综合措施,有效地减少了混凝土轨枕裂缝的产生和发展,取得了较明显的效果。但混凝土轨枕裂缝的预防与控制是一项系统工程,需要从设计、施工、材料、检测等各方面进行控制,并且要在提高控制技术和技术管理水平系统地、综合地运用各种预防措施,以确保轨枕质量的提高,延长其使用寿命。